實驗室是高校教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，是綜合應(yīng)用型人才培養(yǎng)和教師進行科學(xué)研究的重要場所。近年來，隨著高校規(guī)模的擴大，各高校實驗室也得以飛速發(fā)展，實驗室器材占高校固定資產(chǎn)的比重也越來越大。但是，由于很多院校沒有實驗中心，實驗室主要依附于院系而存在，比較分散。這樣，集中實現(xiàn)實驗室的安全維護和管理存在較大困難。
基于上述問題，文中提出了基于GSM" title="GSM">GSM和LPC2138" title="LPC2138">LPC2138的實驗室安防系統(tǒng)" title="安防系統(tǒng)">安防系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)采用32位ARM系列單片機LPC2138作為主控芯片，通過各種傳感器采集實驗室信息，如有危害實驗室安全的因素出現(xiàn)，通過GSM模塊發(fā)送短消息給監(jiān)控中心或者實驗室管理員，及時對實驗室進行維護，從而提高了實驗室安全運轉(zhuǎn)的可靠性。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)由控制模塊、信息采集模塊、報警模塊三部分組成。
控制模塊由單片機芯片、LCD顯示、按鍵控制和電源電路組成。控制模塊主要控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常工作，單片機芯片將傳感器送來信息進行處理、識別，并將關(guān)鍵信息在LCD顯示屏上顯示出來；用戶可通過按鍵控制和LCD顯示查看實驗室當(dāng)前狀態(tài)，可以進行手動布防和撤防操作，使用方便靈活。
信息采集模塊由各類傳感器及信號處理電路組成，主要功能是采集實驗室的環(huán)境信息和安全信息。傳感信號經(jīng)信號處理電路處理后送主控模塊進行處理。
報警模塊由聲光報警和GSM模塊組成，在接收到危害實驗室的信息時，按照預(yù)先設(shè)定的警情處理模式，開啟相應(yīng)的報警方式。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 主控模塊硬件電路設(shè)計
主控模塊主要由單片機最小系統(tǒng)、按鍵控制電路和LCD顯示電路組成。
單片機采用菲利普公司的LPC2138，這是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7 TDMI-STMCPU的微控制器，帶有512kB的嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。它對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用，使其可用16位的Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能損失卻很小。
按鍵控制和LCD顯示硬件電路如圖2所示。按鍵控制電路提供了4個獨立按鍵，每個按鍵都具有復(fù)合功能。用戶可通過4個按鍵和LCD顯示屏方便地查看安防系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和歷史警情信息，可以選擇合適的安防模式，而且還可以通過按鍵實現(xiàn)實驗室的布防和撤防。
2.2 信息采集模塊硬件電路設(shè)計
該模塊硬件電路主要由各類傳感器和信號處理電路組成，可大體分為兩部分。一部分采集實驗室環(huán)境信息，包括溫度傳感器和濕度傳感器。而剩余的傳感器則采集實驗室安全信息，如盜警和火警。
溫度和濕度的采集采用集成化的傳感器，無需處理電路，可以直接讀取實時的溫度、濕度信息。
煙霧傳感器是用來探測室內(nèi)氣體中的煙霧的，在系統(tǒng)中，用于火災(zāi)報警。煙霧傳感信號處理電路原理圖如圖3所示。煙霧傳感器一般安裝于房間的天花板上，采用散射式光感煙器件做煙霧傳感器CA3302B。J1的1、4引腳連接傳感器的內(nèi)部光源，2、3引腳連接傳感器的光敏元件。正常狀態(tài)下J1的2引腳為高電平，也就是IC2A的2腳是高電平，由于IC1A的1腳是高電平，所以輸出低電平，然后經(jīng)IC2B反向輸出高電平；當(dāng)煙霧進入傳感器的暗室時，光線散射照在光敏元件上，其電阻率降低，IC2A的第2引腳變成低電平，其輸出高電平，經(jīng)IC2B反向，最后輸出低電平。單片機可以通過檢測IC2B的輸出判斷是否有煙霧報警即火災(zāi)報警。
熱釋電紅外傳感器是檢測實驗室中是否有人員活動的，即屬于防盜報警。文中應(yīng)用Hamamatsu Corp公司的產(chǎn)品P228。信號處理電路原理圖如圖4所示。P2288的1腳為電源引腳接+5V電源，2腳為輸出引腳，3腳接地，有效探測范圍在7m左右。在正常狀態(tài)下，若沒有人員的活動，P2288的2腳沒有輸出，處理電路的輸出端口保持低電平；若在其探測范圍內(nèi)有人員的活動，則P2288的輸出引腳就輸出一個微弱的電流，經(jīng)R1轉(zhuǎn)化成電壓值加在一個單管共射放大電路的輸入端，經(jīng)放大后送至LM324組成的比較器，產(chǎn)生一個高電平輸出。
當(dāng)有人打破玻璃時，玻璃破碎傳感器受到機械振動，會給出一個信號，這信號經(jīng)放大、處理后可用于報警。此傳感器可與門磁、窗磁一起作為盜警的參考報警信號。
2.3 報警模塊硬件電路設(shè)計
聲光報警采用帶警燈的報警器，由單片機控制的繼電器控制報警器的工作電源。
GSM通信模塊采用TC35。TC35是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。模塊的工作電壓為3.3～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W(900M)和1W(1800M)。模塊有AT命令集接口，支持PDU模式的短消息。TC35和LPC2138之間通過UART連接。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計時，采用模塊化設(shè)計，程序流程圖如圖5所示。根據(jù)系統(tǒng)不同的功能模塊，設(shè)計相應(yīng)的子程序。具體講可分為主程序和GS-MS通信、按鍵控制、LCD顯示三個子程序組成。
主程序包括設(shè)備的初始化、數(shù)據(jù)的采集、信息處理和相關(guān)子程序的調(diào)用。數(shù)據(jù)采集時，將紅外和煙霧傳感器的信號設(shè)為外部中斷，火警中斷優(yōu)先級高于盜警中斷。而對于玻璃破碎傳感器、門磁和窗磁、溫度和濕度傳感器的信號進行輪詢檢測、采集。信息處理對采集到的信息進行處理，識別報警信息，按照安防狀態(tài)選擇合適的報警模式，并將當(dāng)前實驗室安全狀態(tài)送LCD顯示。
火警和盜警的處理除了啟動聲光報警外，還需通過GSM通信模塊發(fā)出短消息通知實驗室管理和維護人員。系統(tǒng)采用的TC35通信模塊，支持PDU消息模式。根據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議信息的發(fā)送是以發(fā)送數(shù)據(jù)幀為主要方式，一個完整的數(shù)據(jù)幀包括起始標志單元、命令單元、CRC校驗單元、結(jié)束標志單元等四部分。采用PDU模式時，一個數(shù)據(jù)幀能夠包含140個字節(jié)(70個漢字)的數(shù)據(jù)量，中文字符按照UNICODE進行編碼。發(fā)送數(shù)據(jù)時其格式為：服務(wù)中心地址/PDU類型/接收主地址/協(xié)議識別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/有效周期/用戶數(shù)據(jù)長度/用戶數(shù)據(jù)；接收數(shù)據(jù)時其格式為：服務(wù)中心地址/PDU類型發(fā)信方地址/協(xié)議識別碼/數(shù)據(jù)譯碼方案/服務(wù)中心收到消息的時間/用戶數(shù)據(jù)長度/用戶數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計時根據(jù)PDU數(shù)據(jù)格式編寫相應(yīng)的AT命令，即可實現(xiàn)短信息的收發(fā)。
按鍵控制子程序設(shè)為中斷服務(wù)子程序，按鍵中斷的優(yōu)先級低于火警、盜警的優(yōu)先級。它可以實現(xiàn)查詢和設(shè)置兩大功能。查詢主要查詢系統(tǒng)當(dāng)前信息和歷史告警信息：設(shè)置功能除了進行實驗室的布防和撤防外，還可設(shè)置不同的防范狀態(tài)。依據(jù)學(xué)校工作的特點，可將安防模式設(shè)為學(xué)期模式和假期模式，在這兩種模式下安防等級相同，不同的是報警的方式。學(xué)期模式下警情信息主要交由實驗室管理員處理；而在學(xué)校寒暑假期間，則采用假期模式，警情信息由學(xué)校安保處值班人員處理。
4 結(jié)束語
本系統(tǒng)利用GSM無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對分散實驗室的集中監(jiān)控及管理，能實時監(jiān)控實驗室的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)警情以便于快速排除，對實驗室進行維護，實現(xiàn)了高校實驗室集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，節(jié)約人力資源，提高了高校實驗室安全運轉(zhuǎn)的可靠性，使實驗室平穩(wěn)發(fā)揮自身職能。